(57)【要約】【課題】従来のＬＥＤランプで生じるような変性を起こさず、高出力ＬＥＤチップをパッケージングするために通常用いられる部材点数および組立てステップ数を必要としないＬＥＤ素子を提供する。【解決手段】ＬＥＤ素子の受容体内に、ＬＥＤチップおよび基板を取り囲むように弾性の封止材、特にシリコーンを含む弾性の封止材を設ける。さらに、硬化した弾性の封止材よりも硬くかつ剛性も大きい第２の封止材を、受容体の開口部内に前記弾性の封止材上に設ける。【選択図】図４
2006237609.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプ（４００）であって、
基板（４０６）と、
前記基板に取り付けられている第１の端子および第２の端子を備えているＬＥＤチップ（４０８）と、
前記ＬＥＤの前記第１の端子に電気的に接続されている第１のリード（４１２）と、
前記ＬＥＤの前記第２の端子に電気的に接続されている第２のリード（４１４）と、
開口部を備えている受容体（４０２）であって、該開口部を通して、該受容体内にＬＥＤチップおよび基板の少なくとも一部を挿入する受容体と、
少なくともＬＥＤチップを取り囲む受容体内に設けられている弾性の封止材（４０４）と、
前記受容体の前記開口部内で前記弾性の封止材上に設けられている剛性の封止材（４１８）とを備えている発光ダイオードランプ。
【請求項２】
前記ＬＥＤチップがフリップチップＬＥＤである、請求項１に記載のＬＥＤランプ。
【請求項３】
前記ＬＥＤチップが波長変換オーバレイを含む、請求項１に記載のＬＥＤランプ。
【請求項４】
前記波長変換オーバレイが、弾性のマトリックス中に分散させた波長変換粒子を含む、請求項３に記載のＬＥＤランプ。
【請求項５】
前記波長変換オーバレイが、シリコーンマトリックス中に分散させたリン粒子を含む、請求項３に記載のＬＥＤランプ。
【請求項６】
前記第２の封止材が、Ｄ７０より大きなショア硬度を有する剛性のポリマーを含む、請求項１に記載のＬＥＤランプ。
【請求項７】
前記第２の封止材が、剛性のポリマー中に分散させた熱伝導性充填材を含む、請求項１に記載のＬＥＤランプ。
【請求項８】
前記受容体（１２００）が、複数の成形カップ（１２０２、１２０４、１２０６）と、該複数の成形カップのそれぞれの内に光を発する少なくとも１つのＬＥＤチップと、該ＬＥＤチップのそれぞれを取り囲む弾性の封止材とをさらに備えている、請求項１に記載のＬＥＤランプ。
【請求項９】
発光ダイオード（ＬＥＤ）素子の製造方法であって、
基板にＬＥＤチップをダイアタッチし、
前記ＬＥＤチップを前記ＬＥＤ素子のリードに電気的に接続し、
前記ＬＥＤ素子の受容体内に、該受容体の開口部を通して未硬化の弾性の封止材を投入し、
前記開口部を通して前記ＬＥＤチップおよび前記基板を挿入し、ＬＥＤチップが弾性の封止材で取り囲まれるようにし、
弾性の封止材を硬化することを含む、方法。
【請求項１０】
前記開口部を通して前記ＬＥＤチップおよび前記基板を挿入するステップの後、
前記第２の封止材を、受容体内にかつ硬化した前記弾性の封止材の上に投入し、
前記第２の封止材を硬化することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の発光ダイオード（ＬＥＤ）素子には、封止材料としてエポキシを使用する。封止プロセスは、射出成形、トランスファー成形または注型によって行うことが多い。硬化したエポキシ封止材は、擦過または摩耗に対する耐性を提供する比較的高い硬度、高い剛性および高い初期光透過性を有する。従来の封止されたＬＥＤ素子は、様々な寸法および型で、例えば４ｍｍ楕円形ＬＥＤランプ、５ｍｍ円形ＬＥＤランプ、チップＬＥＤおよびプラスチックリーデットチップキャリア（ＰＬＣＣ）で使用されている。
【０００３】
しかし、エポキシベースの封止材料は、温度または光による変性を受けやすい。変性は、ＬＥＤチップの発光波長が、スペクトルの紫外線（ＵＶ）近くある場合、特に深刻となる。エポキシ製封止材料は、高い光束に晒された時、特にその光波長が２００ｎｍ〜５７０ｎｍの範囲にある場合に変性する。封止材が変性すると、青から緑の波長での光吸収が増加し、これにより、透明のエポキシ封止材で「黄変」作用が生じ、封止材の光透過性が低下し、よって、ＬＥＤ素子の光出力が著しく低下する。典型的には、エポキシベースの５ｍｍＬＥＤランプ素子の光出力は、１，０００時間使用した後には２０％以上、１０，０００時間使用した後には５０％以上低下する。
【０００４】
図１Ａに、半仕上げの従来のＬＥＤランプ１０２、１０４のストリップ１００の一部を示す。ＬＥＤランプ１０２、１０４は、ＬＥＤランプのストリップとして作製されたリードフレーム１０６に取り付けられている。ＬＥＤランプは、リード１０８、１１０を剪断することによって、リードフレーム１０６から単独化する。この場合、「単独化」とは、１つのＬＥＤランプまたは連結している複数のＬＥＤランプの群を、リードフレームからまたは別の基板、例えばセラミックス基板もしくはプリント回路基板（ＰＣＢ）から分離することを意味する。
【０００５】
ＬＥＤチップ１１４は、第１の基板部分１１５に装着されており、この第１の基板部分１１５は、ＬＥＤチップ１１４の第１の端子（図示せず）をリード１１０に電気的に接続している。特別な実施態様では、ＬＥＤチップは、導電性エポキシを使用して、第１の基板部分の反射カップ内に取り付けられている。ボンドワイヤ１１２は、ＬＥＤチップ１１４の第２の端子（図示せず）を第２の基板部分１１７に電気的に接続している。ボンドワイヤ１１２、ＬＥＤチップ１１４、第１の基板部分１１５、第２の基板部分１１７およびリード１０８、１１０の一部分は、硬くかつ剛性の封止材１１６、例えばエポキシ封止材中に封止されている。この硬くかつ剛性の封止材１１６は、第１および第２の基板部分を固定して、これらが相対的に動かないようにすることで、ＬＥＤランプをリードフレーム１０６から剪断する際の損傷からボンドワイヤを保護する。
【０００６】
図１Ｂに、従来の単独化したＬＥＤランプ１０２を示す。この図では、リード１０８、１１０は、リードフレーム１０６から切断されている（図１Ａの参照符号１０６、１０８、１１０を参照）。一方のリード１０８は、もう一方のリード１１０よりも短く切断されていて、これにより、ＬＥＤチップ１１４の電気極性が分かるようになっている。硬くかつ剛性の封止材１１６が、一方のリードをもう一方のリードに対して相対的に固定するので、ボンドワイヤ１１２への損傷が回避される。
【０００７】
図１Ｃに、ＰＣＢ１２０に挿入されかつ曲げて留められている従来の単独化したＬＥＤランプ１０２を示す。一般的な自動化組立てプロセスで、ＬＥＤランプ１０２のリード１０８、１１０を、ＰＣＢ１２０に設けられたホールを通して挿入し、ＬＥＤランプ１０２を、曲げて、後続のはんだ付けステップのための場所で固定されるようにする。強度が大きくかつ剛性のエポキシ封止材によって、リード１０８、１１０が互いに相対運動しないことが保証される。リードの相対運動は、ＬＥＤチップ１１４および／またはボンドワイヤ１１２の損傷を招きうる。
【０００８】
図２に、従来技術による光源２００を示す。ＬＥＤチップ２１４が、ＰＣＢ基板２０１に取り付けられている。ボンドワイヤ２１２、２１３は、ＬＥＤチップ２１４上の端子（図示せず）を、ＰＣＢ基板２１０上の端子２０８、２１０に電気的に接続している。端子２０８、２１０は、めっきスルーホールであり、このめっきスルーホールにより、表面実装回路基板上への光源２００の表面実装が可能となる。めっきスルーホールは、ドーム形状の封止材２１６がＬＥＤチップ２１４およびＰＣＢ基板２０１上に成形される前に、物質２１１、例えばソルダレジストで埋められる。このような光源に関するさらなる情報は公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
図３に、従来技術によるＬＥＤ素子３００の概略的な切開等角図を示す。ＬＥＤチップ３１４は、シリコン基板部材３０１に取り付けられて（いわゆる「チップオンチップ」アッセンブリとして公知のものを形成して）おり、このシリコン基板部材３０１は、基板部材３０３に取り付けられている。特別な実施態様では、ＬＥＤチップ３１４は、高出力ＬＥＤチップ、つまり５００ｍＶ以上で動作するＬＥＤチップであり、基板部材３０３は、金属（例えば金属「塊」）であって、ＬＥＤチップ３１４からシリコン基板部材３０１を介して熱を伝導して逃がすヒートシンクとなっている。リード３０８は、通常、成形ポリマーであるリード支持部材３０９から延びている。第２のリードは図示されていないが、本質的には、リード３０８の反対側にあるリード支持部材から延びている。
【００１０】
予成形された熱可塑性プラスチックカバー３１６は、ＬＥＤチップ３１４上に嵌められ、ＬＥＤ素子３００内に空洞３１５が形成される。カバー３１６は、ＬＥＤ素子３００の所望の光強度分布パターンに応じてレンズを形成するような形状となっている。また、カバーは、ＬＥＤチップ３１４が配置されている空洞３１５を形成している。その後、この空洞に液体のシリコーン封止材を、パッケージの開口部を通して投入または注入してパッケージ内の空洞３１５の全空間を充填することによって導入し、その後、封止材料を硬化させる。空洞３１５をシリコーンによって充填することによって、軟らかく、１．３より大きな屈折率を有する光学的に透過性の材料が得られる。
【００１１】
高出力ＬＥＤチップ、特に青から緑のスペクトル部分で動作するＬＥＤチップには、シリコーン材料を使用することが望ましく、それというのは、シリコーンは、図１Ｂに示すＬＥＤランプ１０２のようなＬＥＤランプで使用されるエポキシよりも、黄変を起こす傾向が小さいからである。しかし、図３のＬＥＤ素子３００で用いられているパッケージング技術は、比較的複雑で、多くの部品および組立てステップを要する。
【特許文献１】米国特許第６８０６５８３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の課題は、従来のＬＥＤランプのような変性を起こさず、高出力ＬＥＤチップをパッケージングするために通常用いられる部材点数および組立てステップ数を必要としないＬＥＤ素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題は、次の構成を備えている発光ダイオード（ＬＥＤ）素子によって解決される。この構成によれば、発光ダイオード素子が、基板に取り付けられたＬＥＤチップを有していて、このＬＥＤチップの端子が、ＬＥＤ素子のリードに電気的に接続されている。そして、ＬＥＤ素子の受容体内に設けられた弾性の封止材が、ＬＥＤチップを取り囲んでいる。さらに、第２の封止材が、受容体の開口部内にかつ前記弾性の封止材上に設けられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
シリコーンエラストマーは、封止材料として望ましい性質を提供する。シリコーンエラストマーは、高い熱安定性、低い光変性、低い光透過損失特性、広い範囲の屈折率、封止材の硬化後の低い応力、および低コストを提供する。さらに、シリコーンエラストマーは非毒性であり、高温高湿の環境に対して耐性がある。シリコーン封止材は、透過損失が低い、より詳細には高温（例えば１００℃まで）での動作時に使用する場合に透過損失が低いので、２００〜５７０ｎｍの範囲の波長の発光で使用するのに特に望ましい。
【００１５】
しかし、硬化したシリコーン封止材の硬さは、通常、デュロメータショア硬度７０Ａ未満である。シリコーンポリマーは、製造の様々な段階で、液体状態、ゲル状態または固体状態となりうる。しかし、シリコーンポリマーの硬度は低いため、擦過、摩耗および損耗に対する耐性が低いという不都合な点が生じる。さらに、シリコーンポリマーから形成されたパッケージは、高い剛性を有しておらず、機械的な処理を行う場合に良好な寸法安定性が得られず、したがって、その組付けの簡素さは低減し、好ましいＬＥＤパッケージの様々な輪郭設計に関して使用範囲も限定されてしまう。
【００１６】
図１Ａに示すＬＥＤランプ１０２のエポキシ封止材をシリコーン封止材に置き換えたとすると、リード１０８、１１０、ならびに第１および第２の基板部分１１５、１１７の剛性は十分に維持されず、ＬＥＤランプをリードフレームから単独化させる際またはリードを、ＰＣＢへの挿入後に折り曲げる際（図１Ｃ参照）に、ワイヤボンドの損傷は回避されないであろう。シリコーン封止材を備えているＬＥＤランプの外側表面もまた、擦過、損耗および摩耗する傾向があり、これにより、光学的性能が劣化する。このように、通常のシリコーン材料の硬さおよび剛性は小さいので、封止材としてシリコーンを使用しても、図１Ｂの従来技術の素子のような信頼性の高いＬＥＤランプは得られない。
【００１７】
シリコーン−リン波長変換層を使用するＬＥＤランプにおいて、エポキシ封止材をシリコーン型の封止材に置き換えた場合には、別の問題が生じる。ＬＥＤチップへのシリコーン−リンコーティングの接着強さが、シリコーン−リンコーティングとエポキシ封止材との間の接着強さに比べて弱いので、これにより、シリコーン−リン層が、ＬＥＤチップの表面から層剥離してしまう。
【００１８】
硬化後、シリコーンがパッケージ内のＬＥＤチップ上で生成する圧縮応力または引張り応力は通常、より硬い硬化ポリマーに比べて小さい。ＬＥＤチップ上での応力が小さいことによって、より信頼性が高くかつ長寿命のＬＥＤ素子を得ることが可能となる。シリコーンは、波長変換材料（例えば、シリコーンマトリックス中に分散させたリン粒子および／または量子ドット粒子）の薄く均一な層（オーバレイ）を有するＬＥＤチップで用いる場合に特に望ましいことが知られている。必要に応じて、シリカの小さな粒子も分散体として添加される。このような「リン層」は通常、ＬＥＤ構造の厚みの約１０％より薄く、ＬＥＤチップから発せられた光が均一な路長を横切ることを可能にし、よって、リン層内で変換される光の割合が均一となる。これにより、ＬＥＤ素子からの、光の空間分布に関して均一な光出力が得られる。また、リン層とシリコーン封止材との間のシリコーン−シリコーン界面が、熱サイクル中、化学的な不適合性および機械的な不適合性によって受ける影響は最小限であることが知られている。
【００１９】
図４に、本発明の一実施態様による、ＬＥＤ素子（ランプ）４００の断面の概略図を示す。ＬＥＤランプ４００は、端部から見て円形である。ＬＥＤランプ４００には、通常は透明であるが拡散性であってもよく、高い硬度および剛性ならびに高い光透過性を有する受容体４０２と、この受容体４０２内に配置されている弾性の封止材４０４とが設けられている。受容体４０２は、例えば射出成形またはトランスファー成形によって形成することができ、この場合、使用される材料は、実質的に透明であって、高い剛性、および擦過に対する高い抵抗を有しており、例えばポリカーボネート、環式オレフィンポリマーもしくはコポリマー、ポリアミド、ポリメチルアクリレート（ＰＭＭＡ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、エポキシおよびポリスルホンであるが、これらに限定されることはない。本明細書での使用において「透明である」とは、クリア（clear）または色付き（tinted）であることを意味する。いくつかの実施態様では、ＬＥＤチップは、約２００〜約７００ｎｍの波長の光を発する。
【００２０】
ＬＥＤチップ４０８は、任意に設けられている反射カップ４１０内で、第１の基板部分４０６に機械的に取り付けられている。ＬＥＤチップの第１の端子（図示せず）は、導電性の接着剤によって第１の基板部分４０６に電気的に接続されている。ＬＥＤチップの第２の端子（図示せず）は、ボンドワイヤ４１６によって第２の基板部分４０７に電気的に接続されている。弾性の封止材４０４を受容体４０２内に投入し、ＬＥＤチップ４０８、第１および第２の基板部分４０６、４０７ならびにボンドワイヤ４１６を、弾性の封止材４０４中に挿入して、続いてこれを硬化させる。
【００２１】
受容体４０２は、完成したＬＥＤランプ４００の一部を形成する成形カップとして機能する。受容体４０２は、完成したＬＥＤランプ４００の一部となり、よって、弾性の封止材を型から外す際に生じうる層剥離の問題が回避される。適切な弾性の封止材は、シリコーン、フルオロシリコーン、パーフルオロポリマーおよびアモルファスフルオロプラスチックを含む。適切な封止材は、Youngらによる「Optically clear high temperature resistant silicone polymers of high refractive index」との名称の米国特許出願公開第２００４／０１９８９２４号明細書に記載されている封止材であり、NUSIL TECHNOLOGY of Carpenteria（カリフォルニア）より入手可能である。
【００２２】
第１のリード４１２は、金属リードフレームストリップの一部をなしていたものであり、第１の基板部分４０６から離れる方向に延びている。第２のリード４１４も、金属リードフレームストリップの一部をなしていたものであり、第２の基板部分４０７から離れる方向に延びている。
【００２３】
受容体４０２は、実質的に非均一な厚みを有しており、ＬＥＤチップ４０８からの光を配向させるための１つのレンズを形成している。もう１つのレンズが、受容体４０２の内曲面にしたがった弾性の封止材４０４によって形成されている。受容体によって形成されたレンズと弾性の封止材によって形成されたレンズとの組合せは、従来のＬＥＤ封止材（例えば図１Ａの参照符号１１６参照）によって得られる光分布パターンが得られるので、特に望ましい。特別な態様では、弾性の封止材および受容体の材料は、弾性の封止材の材料の屈折率が、受容体の材料よりも大きくなっていて、フレネル光透過損失を最小限にするように選択される。弾性の封止材の材料の屈折率の方が高くなっていることによって、より良好な効率が得られる。
【００２４】
弾性の封止材４０４を硬化した後、第２の封止材４１８を弾性の封止材４０４上にわたり裏埋めする。この第２の封止材は、硬化後に剛性となり、特別な態様では、ＬＥＤランプの単独化および回路への組込み中にリードを固定するために望ましい、Ｄ７０より大きなショア硬度を有する。この裏埋めは、液体状態またはゲル状態の硬化していない第２の封止材を投入することによって行う。第２の封止材４１８は硬化後に、熱伝導性で硬くかつ剛性の層を弾性の封止材４０４上に形成し、ＬＥＤチップ４０８および弾性の封止材４０４を受容体４０２内にシールする。特別な態様では、第２の封止材４１８は、熱伝導性の充填材、例えば、エポキシマトリックスに分散させたセラミックス（例えばシリコンアルミニウムオキサイド）粉末を含む。特別な態様では、第２の封止材料は、０．５Ｗ／ｍ°Ｋを超える熱伝導性を有する。
【００２５】
第２の封止材４１８層は、リード４１２、４１４のための、強度および剛性のより大きいベース部分を提供し、単独化、処理および組立て操作中に生じるＬＥＤチップ４０８およびワイヤボンド４１６への潜在的な損傷を減少させる。第２の封止材４１８は、操作中、ＬＥＤチップ４０８によって生成した熱の放散も促す。これは、熱を、リード４１２、４１４ならびに受容体４０２に沿って基板４０６から離れるように誘導することによって行われる。
【００２６】
図５Ａ〜図５Ｃに、本発明の実施態様による別の受容体を示す。図５Ａに、図４の様態４０２に類似の、フランジ５０４が付加的に設けられている受容体５０２の断面を示す。このフランジによって、いくつかの適用における製造性および使用者によるＬＥＤランプの組立てが容易に得られる。図５Ｂに、本発明の別の実施態様による、実質的に均一の壁厚を有している受容体５０６の断面を示す。図５Ｃに、フランジ５１０を備えている、実質的に均一な壁厚を有する受容体５０８の断面を示す。別の態様では、別の形状が採用される。特別な実施態様では、受容体の壁厚は、弾性の封止材が充填された時に、ＬＥＤ素子からの光強度の望ましい空間分布が得られるように選択される。
【００２７】
図６Ａに、本発明の一態様による、円形フランジ６０２および円形リム６０４を備えている受容体６００の等角図を示す。リムは、ＬＥＤランプをＰＣＢに挿入して、ＬＥＤランプの高さを制限する場合に有用である。図６Ｂは、受容体６０８および基板６１０を備えている、ＬＥＤランプの等角分解図である。特別な態様では、基板６１０は、カソード電気接触パッド６１３と、いくつかの態様ではヒートシンクパッドとして機能し、別の態様では第２のカソードパッドとして機能するセンターパッド６１２と、アノード電気接触パッド６１４とを、基板６１０の裏面に備えているＰＣＢ基板である。ＬＥＤチップ（図示せず）は、反射カップ内に、基板６１０と反対の側に取り付けられ、接触パッドに電気的に接続される。受容体６０８は、正方形フランジ６１６および正方形リム６１８を備えている。
【００２８】
基板６１０に設けられた整列ホール６２０は、受容体６０８に設けられた整列ピン６２２と協働して、基板を、ひいてはＬＥＤチップ（図示せず）を受容体に整列させる。弾性の封止材（図示せず）を受容体６０８の成形カップ６２４に投入し、基板６１０を受容体に組み付け、弾性の封止材を硬化する。剛性の第２の封止材は、この実施態様では任意に用いられる。カソード電気接触パッドおよびアノード電気接触パッドは、封止材によって覆われないので、ＬＥＤランプの表面実装回路基板への表面実装のために使用可能である。別の態様では、受容体の別の形状および型が使用される。特に、別の態様では、図１２〜１４に示すような、複数のＬＥＤを受容するために構成された受容体が使用される。
【００２９】
図７Ａ〜７Ｃに、ＬＥＤランプの部分的な断面図を示し、これにより、本発明による一連の製造方法を説明する。図７Ａでは、受容体７０２に、未硬化の弾性の封止材料７０４、例えば液体状態またはゲル状態のシリコーン充填材料が充填されている。ＬＥＤチップ７０８は、リードフレームストリップ７１０の一部をなす基板７０６にダイアタッチされている。固定具７１２は、硬化ステップ中に受容体を保持する。別の態様では、空の受容体を固定具７１２内に配置し、続いてそれを弾性の封止材で充填する。リム７１４によって、固定具７１２で受容体７０２が支持される。
【００３０】
図７Ｂに、流動性の弾性の封止材中に挿入されて、封止材を硬化させた後の、基板７０６およびＬＥＤチップ７０８を示す。図７Ｃには、硬化した弾性の封止材７０４上にかつリード７１８、７２０の周りに設けられた第２の封止材７１６を示す。この後、この第２の封止材を硬化する。硬化後、第２の封止材７１６は、硬化した弾性の封止材７０４より大きい硬度および強度を有する。図中の第２の封止材の材料の厚みは、例示的なものにすぎない。特別な態様では、第２の封止材の材料は、図示のものより厚みが大きく、基板の表面に向かってさらに延びており、これにより、熱伝導が増大し、リードおよび基板への支持はより強固となる。
【００３１】
図８は、本発明の別の実施例によるＬＥＤランプ８００の断面図である。ＬＥＤチップ８０８は、シリコンサブマウント（別個に図示）を備えているフリップチップＬＥＤである。フリップチップＬＥＤは、米国特許第６５２１９１４号明細書および第６６４６２９２号明細書にさらに記載されている。ＬＥＤチップ８０８は、素子の同じ側に、アノードボンディングパッド（図示せず）およびカソードボンディングパッド（図示せず）を備えている。ワイヤボンド８１６、８１７は、ＬＥＤチップ８０８の端子をリード４１２、４１４に電気的に接続している。
【００３２】
第２の封止材８１８は、実質的にＬＥＤチップ８０８の近辺にまで迫って基板４０６の周りを囲むように裏埋めされており、これによりフリップチップＬＥＤから第２の封止材８１８までの熱通路が提供される。第２の封止材の厚みをより厚くすることによって、基板４０６およびリード４１２、４１４のための、強度および剛性のより高い基体も提供される。別の実施態様では、単一のＬＥＤパッケージ内に多数のＬＥＤチップが設けられている。
【００３３】
図９に、本発明の別の態様の、ＬＥＤランプ９００の断面図を示す。基板９０６は、デュアルインラインパッケージ（ＤＩＰ）の基準に基づくリードとして構成されているピン（リード）９１２、９１４を備えているＰＣＢ基板である。この態様は、特にスルーホールの取り付けのために望ましい。受容体９０２内部の弾性の封止材９０４は、ＬＥＤチップ９０８およびこれと連結しているワイヤボンドを覆っている。硬化した第２の封止材９１８は、弾性の封止材９０４より硬くかつ剛性も大きく、確実なシールを提供し、受容体９０２内での基板９０６の固定を保証し、さらに、ピン９１２、９１４を支持する。
【００３４】
図１０に、本発明の別の実施態様によるＬＥＤランプ１０００の断面図を示す。基板１００６は、背面端子１０１２、１０１４を備えているＰＣＢであり、表面実装技術（ＳＭＴ）を適用するためのＬＥＤ部品を形成している。基板１００６は十分に厚く、基板１００６の一方の側に取り付けられたＬＥＤチップ１００８が弾性の封止材１００４によって封止される一方で、背面端子１０１２、１０１４が基板１００６の反対側で露出するように、基板１００６を位置決めできるようになっている。ＳＭＴのために適したＬＥＤは、Koayらによる「Light source」との発明の名称の米国特許第６８０６５８３号明細書にさらに記載されている。基板１００６は、弾性の封止材１００４によって部分的に封止されており、この弾性の封止材より硬くかつより剛性が大きく熱伝導性も大きい第２の封止材層１０１８によっても部分的に封止されている。別の態様では、反射性の金属、例えば銀、ニッケル、金またはアルミニウムでめっきされている反射カップを備えている、アルミナまたは窒化アルミニウムのようなセラミックス基板が用いられている。
【００３５】
図１１Ａに、本発明の別の態様によるＬＥＤランプ１１００の断面図を示す。基板１１０６は「ガルウィング」基板である。「Ｊ字型リード」基板は、ＬＥＤランプの表面実装のための外部リードを提供するという点で、ガルウィング基板に類似している。ガルウィング基板は、ガルウィングＳＭＴ構造内に形成された金属製リードフレームである。金属製リードフレームは、その上に形成されかつ反射表面でめっきされている反射カップ１１１０を備えている。基板１１０６は、電気的な端子のために２つ以上のリード１１１２、１１１４を有するように構成されているが、その構成は図１１Ａの例に限定されない。本発明の実施の別の態様では、金属リードフレームまたはＰＣＢ内での反射カップの反射面を形成するめっき材料は、銀、ニッケルまたは金であるが、これらに限定されることはない。図１１Ｂに、図１１Ａの基板の平面図を示す。
【００３６】
図１２〜１４に、１つ以上のＬＥＤチップを収容するように構成した、受容体１２００、１３００、１４００の等角図を示す。受容体１２００は、３つの成形カップ１２０２、１２０４、１２０６と、これら３つの成形カップ１２０２、１２０４、１２０６の周りを囲んでいる周辺リム１２０８とを備えている。弾性の封止材は、所望の高さまで、充填材を埋めるように投入される。この弾性の封止材中に、１つまたは複数の基板に取り付けられたＬＥＤを挿入する。特別な態様では、３つのＬＥＤは、単一の長方形の基板上に取り付けられていて、これを受容体内に挿入する。これにより、ＬＥＤが成形カップ内へと光を透過させ、また、ＬＥＤは、弾性の封止材によって取り囲まれる。リム１２０８によって、受容体内で基板が整列し、成形カップ内でＬＥＤが位置決めされる。
【００３７】
図１３に、その中に弾性の封止材が投入される、単一の成形カップ／レンズ１３０２を備えている受容体１３００を示す。ここに、複数の基板上に設けられた複数のＬＥＤチップ、または単一の基板上に設けられた複数のＬＥＤチップを、楕円形開口部１３０４を通して弾性の封止材中に挿入する。図１４は、６つの成形カップ／レンズおよび周辺リム１４０２を備えている別の受容体１４００を示す。
【００３８】
この場合、１つ以上のＬＥＤチップを基板に取り付けることができ、基板は、２つ以上の電気端子を備えていてもよい。受容体の形状およびレンズ輪郭の数は、ＬＥＤの数およびＬＥＤが設けられる基板の輪郭に相応するように構成することができる。図示の構成は、透明の受容体の代表的な形状を示しているが、本発明はこれらの形状に限定されることはない。
【００３９】
図１５は、本発明の実施態様によるＬＥＤ素子１５００の製造方法のフローチャートである。ＬＥＤチップを基板にダイアタッチし（ステップ１５０２）、リードに電気的に接続する（ステップ１５０４）。一態様では、基板を、導電性接着技術によってＬＥＤチップの第１の端子に接続し、ワイヤボンドによりＬＥＤチップの第２の端子に接続する。別の態様では、第１のワイヤボンドにより、ＬＥＤチップの第１の端子と第１のリード（例えば、第１のリードが組み込まれている基板）とを接続させ、第２のワイヤボンドにより、ＬＥＤチップの第２の端子と第２のリードとを接続させる。特別な態様では、マトリックス（例えば、シリコーン、別の弾性材料もしくはゾル、ゲル）内に分散させたリン粒子の波長変換層をＬＥＤチップ上に設ける。
【００４０】
未硬化の弾性の封止材を受容体内に投入し（ステップ１５０６）、ＬＥＤチップおよび基板を未硬化の弾性の封止材中に挿入する（ステップ１５０８）。続いて弾性の封止材を硬化する（ステップ１５１０）。特別な態様では、あらゆる整列固定具を含む、ＬＥＤ素子全体またはＬＥＤリードフレームストリップは、コンベヤ炉またはボックス炉内で硬化させる。
【００４１】
受容体は、材料、典型的にはプラスチックからなっており、硬化した弾性の封止材料よりも硬く、剛性もより大きい。一態様では、ＬＥＤチップを、未硬化の弾性の封止材中に挿入し、ＬＥＤチップが未硬化の弾性の封止材で囲まれるようにする。一般に、受容体の体積を知っておき、選択された封止材の量を受容体内に投入する。ＬＥＤ−基板アッセンブリを、未硬化の弾性の封止材中に選択された深さにまで挿入し、これにより、未硬化の弾性の封止材が、所望の高さにまで受容体を埋めるようになる。
【００４２】
特別な態様では、ＬＥＤチップ、ボンドワイヤ、基板およびリードの一部を、未硬化の弾性の封止材中に挿入する。特別な態様では、ＬＥＤチップを反射カップ内に配置するが、この方法は、受容体に投入された弾性の封止材中にＬＥＤチップおよび基板を挿入する前に、この反射カップを未硬化の弾性の封止材で予備充填する任意のステップを含む。反射カップを予備充填することによって、ＬＥＤ素子からの発光およびＬＥＤチップの熱放散を妨げうる気泡をＬＥＤチップの近くで生成するガスの捕捉が回避される。
【００４３】
さらに別の態様では、第２の封止材を、受容体内で弾性の封止材上に投入し（ステップ１５１２）、続いて硬化する（ステップ１５１４）。特別な態様では、硬化された第２の封止材は、弾性の封止材よりも大きな剛性を有していて、リードを取り囲むように固定する。いくつかの態様では、第２の封止材によって、開口部にわたって、弾性の封止材によって提供された第１のシールよりも強くかつより耐性の大きな第２のシールが提供される。さらに別の態様では、リードを、ＬＥＤ素子をリードフレームストリップから単独化するために切断する（ステップ１５１６）。別の態様では、ＰＣＢ基板を備えているＬＥＤ素子が、ＰＣＢ基板のアレイから単独化される。
【００４４】
硬い外側の受容体と内側の弾性材料との組合せによって、従来のＬＥＤランプに比べていくつかの利点が得られる。図１Ａを参照すると、封止材１１６のためにエポキシを使用する場合、硬化によって生じるストレスがワイヤボンドを損傷しうる。熱衝撃を受ける間、例えばはんだリフロー中、エポキシと基板との間の熱膨張係数の相違によって熱応力も生じる。また、ランプが加熱または冷却されると、過剰な応力によって、ＬＥＤチップが持ち上がり、亀裂が生じる。弾性の封止材があることによって、熱衝撃、例えばはんだリフロー後でも、パッケージ内での応力は小さく、より高い信頼性および高い収率が得られる。同様に、弾性の封止材によって、特に、短波長（５７０ｎｍ未満）を有する光を発光する中間から低出力のＬＥＤチップ（つまり５００ｍＷ未満）による光出力の変性（黄変）が回避される。また、受容体は、弾性の封止材に対して剛性および摩耗耐性を提供する。しかし、本発明の態様は、５００ｍＷを超える出力で５７０ｎｍより長い波長の光を放出するＬＥＤ素子を用いる場合にも適している。本発明の態様をリードフレームＬＥＤ製造技術に適用するのは簡単であり、これにより、極めて少ない部材点数によって構成されかつ容易に大量生産できる簡単な構造が提供される。
【００４５】
以上、本発明の好ましい実施態様を例示的に説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲を逸脱することがなければ、これらの態様の変化および応用が当業者によって得られることは明確である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１Ａ】半仕上げの従来のＬＥＤランプのストリップの一部を示す図である。
【図１Ｂ】単独化された従来のＬＥＤランプを示す図である。
【図１Ｃ】ＰＣＢに挿入されかつ曲げて留められた単独化された従来のＬＥＤランプを示す図である。
【図２】従来の光源を示す図である。
【図３】別の従来技術のＬＥＤ素子の概略的な切開等角図を示す。
【図４】本発明の一態様によるＬＥＤ素子（ランプ）の概略的な断面図である。
【図５Ａ】本発明の態様による受容体を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の態様による別の受容体を示す図である。
【図５Ｃ】本発明の態様によるさらに別の受容体を示す図である。
【図６Ａ】本発明の一態様による、円形フランジおよび円形リムを有する受容体の等角図である。
【図６Ｂ】本発明の一態様による、正方形フランジおよび正方形リムを有する受容体の等角分解図である。
【図７Ａ】本発明の一態様によるＬＥＤランプの製造方法の１ステップを示す図である。
【図７Ｂ】本発明の一態様によるＬＥＤランプの部分的な断面図であり、製造方法の１ステップを示す。
【図７Ｃ】本発明の一態様によるＬＥＤランプの部分的な断面図であり、製造方法の１ステップを示す。
【図８】本発明の別の態様によるＬＥＤランプの断面図である。
【図９】本発明のさらに別の態様によるＬＥＤランプの断面図である。
【図１０】本発明のさらに別の態様によるＬＥＤランプの断面図である。
【図１１Ａ】本発明のさらに別の態様によるＬＥＤランプの断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａの基板の平面図である。
【図１２】複数のＬＥＤチップを収容するように構成された受容体の等角図である。
【図１３】複数のＬＥＤチップを収容するように構成された受容体の等角図である。
【図１４】複数のＬＥＤチップを収容するように構成された受容体の等角図である。
【図１５】本発明の態様によるＬＥＤ素子の製造方法のフローチャートである。
【符号の説明】
【００４７】
４００  ＬＥＤ素子（ＬＥＤランプ）
４０２  受容体
４０４  弾性の封止材
４０６  第１の基板部分
４０７  第２の基板部分
４０８  ＬＥＤチップ
４１０  反射カップ
４１２  第１のリード
４１４  第２のリード
４１６  ボンドワイヤ
４１８  第２の封止部材
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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